Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 5
1. КОМПЬЮТЕРНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ОБУЧЕНИЯ 12
-
Основные направления развития компьютерных технологий обучения 12
-
Классификация авторских систем 15
-
Классификация по техническим параметрам 15
-
Классификация в соответствии с «происхождением» 17
-
Классификация по уровню развития 18
-
Авторская метафора 19
-
Язык сценариев 20
-
Изобразительное управление потоком данных 20
-
Кадр 21
-
Карточка с языком сценариев 21
-
Временная шкала 22
-
Иерархические объекты 23
-
Гипермедиа-ссылки 23
-
Структурирование и представление знаний в обучающих системах 24
-
Моделирование обучаемого 25
-
Модели диагностики знаний 27
-
Классическая модель 27
-
Классическая модель с учетом «сложности» заданий 28
-
Адаптивная модель , 28
-
Модель тестирования по сценарию 29
-
Статистический подход к определению уровня сложности 30
1.6 Выводы по первой главе , 32
2. МЕТОДИКА СТРУКТУРИРОВАНИЯ И ПРЕДСТАВЛЕНИЯ ЗНАНИЙ В
КОМПЬЮТЕРНЫХ ОБУЧАЮЩИХ СИСТЕМАХ 34
-
Состав знаний компьютерной обучающей системы 34
-
Представление предметных знаний 39
-
Структура и инициализация модели обучаемого (КОГО-знанин) 40
2.3.1 Параметры модели обучаемого 40
-
Уровень знаний 42
-
Цели обучаемого : 47
-
Уровень подготовки и имеющийся опыт 48
2.3.4 Предпочтения 48
-
Представление дидактических знаний 49
-
Представление диагностических знаний 52
-
Жизненный цикл диагностических знаний 53
-
Уровни развитости подсистемы тестирования , 54
-
Характеристики подсистемы тестирования 56
2.6 Алгоритм анализа страт , ,65
-
Вертикальный анализ страт 65
-
Горизонтальный анализ страт 66
2.7 Выводы по второй главе 67
3. ИНСТРУМЕНТАЛЬНАЯ СИСТЕМА TEACHLAB COURSEMASTER. ..70
ЗЛ Адаптация к целям, условиям и характеру обучения 70
-
Адаптация к предметной области 70
-
Адаптация к решаемой задаче 73
3.2 Показатели качества инструментальных систем для разработки
электронных курсов 73
-
Состав и функции элементов программного комплекса 81
-
Инфологическая модель электронного учебного курса 84
-
Подсистема «Конструктор учебных курсов» 86
-
Подсистема «Браузер учебных курсов» 89
-
Возможности системы по адаптации учебного материала и системы навигации 94
-
Адаптивное представление учебного материала 94
-
Адаптивная поддержка навигации 98
3.7 Выводы по третьей главе 100
4. ПРОЕКТИРОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ЭЛЕКТРОННЫХ УЧЕБНЫХ
КУРСОВ С ПОМОЩЬЮ TEACHLAB COURSEMASTER 102
-
Цели и основные дидактические принципы создания электронных учебных курсов . 102
-
Настройка системы на предметную область 106
-
Использование дополнительных пакетов обучающих компонент .106
-
Использование элементов управления ActiveX 108
-
Использование DLL .109
4.3 Решение типовых задач в системе TeachLab CourseMaster Ill
-
Объединение вопросов и упражнений в тесты 111
-
Обеспечение интеграции учебных курсов 113
-
Создание и использование понятийных карт (concept maps) 116
-
Применение педагогических агентов 117
4.4 Выводы по четвертой главе 123
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 125
ЛИТЕРАТУРА 128
ПРИЛОЖЕНИЕ 138
Перечень сокращений, встречающихся в тексте
IEC - Международная электротехническая комиссия
ISO - Международная организация по стандартизации
АОС - автоматизированная обучающая система
ГТ - гипертекст
ИИ - искусственный интеллект
ИОС — интеллектуальные обучающие системы
ИС - инструментальная система
КОС - компьютерная обучающая система
МДПДЗ - модуль доставки и представления диагностических знаний
МДГГПЗ — модуль доставки и представления предметных знаний
МОд - модель обучаемого
МОДДЗ - модуль описания дидактических знаний
МОДЗ - модуль описания диагностических знаний
МОМД - модуль описания мультимедийных элементов
МОПЗ - модуль описания предметных знаний
МППЗ - модуль поиска предметных знаний
МРО - модуль регистрации обучаемых
МУА - модуль управления и адаптации
ОСА - объектно-структурный анализ
ОСП - объектно-структурный подход
ПО - предметная область
ЭУК — электронный учебный курс
Введение к работе
Современная ситуация практически во всех сферах деятельности человека отмечена настолько бурным их развитием, что использование в процессе трудовой деятельности только базовых знаний, полученных в среднем или высшем учебном заведении, заведомо недостаточно. Этот фактор определяет мотивацию каждого участника производственного процесса на регулярное получение новых знаний, необходимых для поддержания собственной работоспособности. Кроме того, развитие рыночных отношений требует неизбежной переквалификации для значительного слоя работников, высвобождающихся в результате структурной перестройки всей экономики страны, причем этот процесс несет в себе, как правило, негативный социальный фактор. Решение возникающих в результате этих процессов проблем лежит в русле развития концепции непрерывного образования.
Концепция непрерывного образования, разработанная в развитых странах в 70-х годах, стала для этих стран одним из эффективных инструментов, позволяющих решать проблемы соответствия квалификации специалистов и быстро растущего уровня знаний, умений и навыков, которого требует технический прогресс. Это, с одной стороны, обеспечение должного качества получаемых знаний, и, с другой стороны, достижение минимальных затрат всех участников образовательного процесса (преподавателей, обучаемых, а также организаций и предприятий, вынужденных тратить подчас значительные средства для поддержания высокого профессионального потенциала своих кадров, обеспечивая тем самым высокую конкурентоспособность своей продукции и услуг). Вот почему задача совершенствования процесса переподготовки кадров становится сегодня ключевой в реализации намеченных в стране реформ.
Однако процесс организации переподготовки работников организаций и предприятий в настоящее время недостаточно обеспечен как методически, так и технологически. Дефицит современных эффективных технологий затрудняет развитие процесса переподготовки работников различных отраслей промышленности, что, несомненно, сказывается на продвижении страны по пути реформ и устранении социальной напряженности в обществе.
Одним из путей решения этой задачи могло бы стать широкое внедрение новых информационно-образовательных технологий. Их основу составляет использование новейших компьютерных технологий, в совокупности с современными методиками и приемами, для создания компьютерных обучающих систем (далее КОС), включающих фундаментальные и специальные дисциплины, которые в комплексе позволяют организовать учебный процесс, максимально наполнив его элементами, обеспечивающими высокое качество и эффективность обучения, в том числе и в дистанционной форме.
В настоящее время ряд известных коммерческих компаний разрабатывает высококачественные, с точки зрения технических, программных, эргономических и других требований, программные продукты учебного назначения. Методической основой данных разработок являются исследования Бруснецова Н. П., Брусиловского П. Л., Васильева В. В., РастригинаЛ. А., Савельева А. Я., Слипченко В, Г. Среди зарубежных исследователей необходимо отметить работы Р. Бартона (R. Burton), А. Борка (A. Bork), Д. Брауна (J. S. Brown), Э. Венгера (Е. Wenger), Д. Карбонелла (J. Carbonell), С. Паперта (S. Papart), Э. Солоуэя (Е. Soloway).
Однако, несмотря на заметные успехи в этом направлении, существует ряд причин, препятствующих широкому использованию подобного рода программ. Главной среди них является неполное соответствие предлагаемого в КОС материала идеям и методам преподавания той или иной дисциплины. Это связано, прежде всего, с низкой адаптивностью как самих обучающих систем, так и средств их разработки к индивидуальным особенностям обучаемых, предметной области, решаемым задачам и навыкам разработчика. Повышение эффективности и качества соответствующих программных продуктов может быть достигнуто на основе системного подхода к проблеме их проектирования, наполнения и эксплуатации, обеспечивающего более полный учет всех особенностей их разработки и использования. Методологической основой здесь
7 могут являться идеи и методы теории систем, адаптивного управления и искусственного интеллекта. Конечным продуктом — комплекс инструментальных средств, реализующий идею адаптивности на всех этапах жизненного цикла создаваемой обучающей системы: от момента ее проектирования и разработки до момента эксплуатации конечными пользователями — обучаемыми.
В связи с этим представляется целесообразным создание не только законченной обучающей продукции, но и инструментальных программных средств адаптируемых к предметной области и позволяющих преподавателям, имеющим различный уровень подготовки в области информационных технологий, эффективно создавать собственные компьютерные обучающие системы, наполняя их конкретным содержанием.
Однако создание таких средств связано с рядом проблем, среди которых: отсутствие единого подхода к систематизации и классификации компьютерных обучающих технологий, и как следствие этого, — единого терминологического словаря [41]; сложность унификации логико-математических моделей, а также методических, программных и интерфейсных решений, реализуемых в автоматизированных средствах обучения, ориентируемых на разные категории и уровни подготовки специалистов в различных предметных областях; недостаточно высокий уровень проработки моделей диагностического тестирования, слабо отражающих исходный (необходимый для формирования индивидуальных учебных программ и планов) и достигнутый уровень знаний, умений и навыков; трудоемкость создания комплексных автоматизированных средств обучения, обуславливающая их высокую стоимость и относительно длительные сроки разработки.
Объект исследования - адаптивные компьютерные программы учебного назначения и инструментальные средства, используемые для их создания.
Предмет исследования - методика проектирования и разработки адаптивных компьютерных обучающих систем, а также математические модели
8 и алгоритмы, реализуемые в рамках данной методики.
Цель работы - снижение трудоемкости создания программных продуктов учебного назначения и повышение их потребительских свойств на основе автоматизации процесса разработки адаптивных компьютерных обучающих систем.
Задачи исследования обусловлены поставленной целью и включают: анализ и классификацию существующих инструментальных программных средств, предназначенных для разработки КОС, и построение системы показателей качества для данных программных продуктов; систематизацию комплекса знаний (предметных, диагностических и т.п.), необходимых для создания и эффективной эксплуатации различных систем учебного назначения; разработку модели адаптивного диагностического тестирования как одной из основ организации эффективной обратной связи в ходе управления процессом обучения; разработку соответствующего инструментального программного комплекса и изготовление с его помощью компьютерных обучающих систем.
Структура диссертационной работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и приложений.
Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы цель и задачи исследования, научная новизна и положения, выносимые на защиту.
В первой главе приведена краткая история развития средств компьютерной поддержки процесса обучения; проведен анализ инструментальных систем, используемых для разработки КОС; рассмотрены некоторые интеллектуальные функции, реализация которых в инструментарии разработки КОС необходима и реально достижима.
Во второй главе рассматривается методика проектирования КОС, в рамках которой приведен и обоснован состав знаний КОС (ЭУК в частности), рассмотрены адекватные способы их формирования и представления;
9 предложены подходы к реализации ряда интеллектуальных функций: инициализации оверлейной модели знаний, использование модели обучаемого и продукционных правил для осуществления адаптации, модель тестирования, основанная на логиках с векторной семантикой.
В третьей главе приводятся характеристики качества инструментальных систем для разработки адаптивных электронных учебных курсов. Рассмотрена структура и функции авторской системы TeachLab CourseMaster реализующей предлагаемый во второй главе подход. Здесь же описана взаимосвязь основных модулей системы. Приведена инфологическая модель электронных учебных курсов, разрабатываемых с её помощью.
В четвертой главе освещены некоторые практические вопросы разработки и проектирования электронных учебных курсов в среде TeachLab CourseMaster: показаны возможности настройки системы на конкретную предметную область; приведены примеры решения типовых задач (формирование тестовых батарей, обеспечение интеграции учебных курсов, создание и использование понятийных карт (concept maps), применение педагогических агентов и т.д.).
Научная новизна исследования состоит в следующем:
Проблема разработки компьютерных обучающих систем рассматривается как часть более общей проблемы получения, структурирования, преобразования и интеграции данных и знаний, что позволяет использовать при их разработке научные методы, основанные на системном анализе и математическом моделировании.
Предложен методический подход к проектированию и разработке адаптивных компьютерных обучающих систем, в рамках которого: предложен алгоритм систематизации и структуризации данных и знаний, используемых в процессе проектирования, разработки и эксплуатации компьютерных обучающих систем (алгоритм ОСАкос); разработана модель адаптивного диагностического тестирования, основанная на логиках с векторной семантикой.
3. Предложена система показателей качества обучающих программ и
10 инструментальных средств, предназначенных для их создания. На защиту выносятся следующие результаты:
Методика создания адаптивных электронных учебных курсов на основе модифицированного алгоритма объектно-структурного анализа для компьютерных обучающих систем (ОСАКОс)-
Модель адаптивного диагностического тестирования с векторной оценкой уровня подготовленности обучаемых.
Система показателей качества обучающих программ и инструментальных средств, предназначенных для их создания.
Практическая значимость полученных результатов. На основе исследований, предпринятых в рамках настоящей работы, разработан программный комплекс TeachLab CourseMaster, обеспечивающий процесс создания КОС в естественных категориях предметно-ориентированного лексикона пользователя-разработчика КОС в этой области, что позволяет снизить трудоемкость и сроки разработки, расширить спектр разрабатываемых КОС. Использование данного инструментария обеспечивает повышение дидактической эффективности когнитивного процесса за счет использования адаптивной структуры организации КОС.
В процессе его опытной эксплуатации были созданы и успешно используются в учебном процессе Восточно-Сибирского института МВД РФ и ряда других ВУЗов такие учебные курсы, как «Правовая статистика», «Технология и техника методов повышения нефтеотдачи пластов», «Промысловая геофизика», «История России. XIX век» и другие.
Апробация результатов. Основные результаты исследований диссертационной работы доложены на;
Всероссийской конференции «Информационные и телекоммуникационные технологии в науке и образовании Восточной Сибири». - Иркутск, 2001.
Международной Internet-конференции «Информационные технологии в науке и образовании». - Шахты, 2001.
Научно-методической конференции «Проблемы эффективности подготовки специалистов». - Иркутск, 2001.
Всероссийской конференции «Информационные технологии в энергетике, экономике, экологии». - Иркутск, 2002.
Всероссийской научно-практической конференции-выставке «Единая образовательная среда: проблемы и решения». — Томск, 2002.
Всероссийской конференции «Математические и информационные технологии в энергетике, экономике, экологии». - Иркутск, 2003.
По теме диссертации опубликовано 9 научных работ. Программный комплекс TeachLab CourseMaster и его элементы внедрены в:
Всероссийском институте повышения квалификации работников МВД России;
Харьковском гуманитарном университете «Народная Украинская академия»»;
Республиканском институте профессионального образования МО Республики Беларусь;
Одесском государственном аграрном университете;
Самарском государственном техническом университете;
Астраханской банковской школе ЦБ РФ, г. Астрахань;
Молодежной общественной организации «Центр бизнес-образования и правовых технологий (бизнес-инкубатор)», г. Днепропетровск, Украина;
ТОО «Новые технологии», г. Ал маты, Республика Казахстан
Вологодском институте права и экономики Минюста России;
Восточно-Сибирском институте МВД России, г. Иркутск;
Вельском коммерческо-экономическом техникуме, г. Вельск, Архангельская область.
